El intestino delgado es el sitio principal donde digerimos y absorbemos nutrientes y minerales de los alimentos, y también es un lugar donde ocurren muchas infecciones intestinales y se manifiestan trastornos digestivos e inflamatorios. Para comprender mejor el intestino en sus estados normales y patológicos, los investigadores han creado "organoides" al aislar células madre intestinales de muestras de biopsia humana. Estos organoides forman todos los tipos de células presentes en el intestino humano, pero crecen como quistes rodeados de geles de matriz extracelular gruesos con su superficie celular "apical" quenormalmente está expuesto al contenido del intestino frente a una luz cerrada, lo que impide el estudio de procesos dinámicos que involucran la barrera intestinal, incluido el transporte de nutrientes y medicamentos, así como sus interacciones con el microbioma. Además, los organoides carecen de vasculatura yLos movimientos mecánicos causados por el peristaltismo normal y el flujo sanguíneo, que son vitales para muchos procesos en el intestino, incluida su regeneración.ración y control del sobrecrecimiento bacteriano.
En un esfuerzo por superar estas limitaciones, un equipo del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada dirigido por su Director Fundador, Donald Ingber, MD, Ph.D., había diseñado previamente un "Organ-on-a-Chip" microfluídicoDispositivo de cultivo Chip de órgano en el que las células de una línea celular intestinal humana aislada originalmente de un tumor se cultivaron en uno de los dos canales paralelos, separados por una membrana porosa recubierta con matriz de células endoteliales derivadas de vasos sanguíneos humanos en el canal adyacenteAunque este Chip Gut humano recreó el epitelio de las vellosidades del intestino normal y permitió nuevas ideas sobre cómo el flujo y el peristaltismo cíclico afectan la diferenciación y la función intestinal, no se pudo utilizar para estudiar procesos que dependían de las células intestinales normales de donantes individuales, lo que, paraejemplo, es crucial para estudiar las respuestas específicas del paciente para la medicina personalizada.
En un nuevo estudio, publicado en Informes científicos , el equipo de Ingber ahora elimina estos obstáculos. "Ahora podemos aprovechar el enfoque organoide para aislar las células madre intestinales de las biopsias humanas, pero separamos los organoides y cultivamos las células específicas del paciente dentro de nuestros chips de órganos donde se forman espontáneamentelas vellosidades intestinales orientadas hacia la luz del canal y el epitelio en aposición cercana al endotelio microvascular intestinal humano ", dijo Ingber, quien también es el profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Escuela de Medicina de Harvard HMS y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, así como profesor de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John SE Paulson de Harvard SEAS. "Este enfoque presenta un nuevo trampolín para la investigación de procesos normales y relacionados con enfermedades de una manera altamente personalizada, incluido el transportede nutrientes, digestión, diferentes trastornos intestinales e interacciones intestinales con microbios comensales y patógenos ".
El equipo colaboró con el laboratorio de David Breault en el Boston Children's Hospital para construir un paso de cultivo de organoides en su procedimiento para aislar células madre intestinales normales y aumentar su número de células. Los organoides resultantes podrían almacenarse para su uso futuro o fragmentarse inmediatamente y sembrarlos enlos canales "epiteliales" de múltiples chips de órganos donde fueron madurados aún más por medio de cultivo especializado que fluye y aplicando estimulación mecánica a los canales para imitar movimientos fisiológicos similares al peristaltismo. La maduración del epitelio en un epitelio intestinal de vellosidades con extensiones largas similares a los dedos fue ayudadajunto con el cocultivo de células endoteliales microvasculares intestinales humanas en el lado opuesto de la membrana porosa recubierta con matriz compartida en el canal "vascular" donde ensamblaron un vaso sanguíneo sustituto con una luz hueca a través de la cual fluía el medio de alimentación.
Por lo tanto, la combinación de dos de las tecnologías más avanzadas en el campo de la ingeniería de tejidos - cultivo organoide y chips de órganos - permitió la generación de tejidos intestinales y estructuras a nivel de órganos revestidos por células específicas de donantes humanos con morfología, composición y función fuertementese asemeja a la de la región duodenal del intestino delgado normal ". Debido a que el chip primario del intestino delgado recapitula el microambiente físico que experimentan las células dentro del cuerpo humano, como el flujo de fluidos y los movimientos de estiramiento de tipo peristaltismo cíclico, exhibe una expresión génica de todo el genomaperfil que se acerca más a su contraparte in vivo que al de las mismas células intestinales cultivadas como organoides 3D ", dijo la primera autora Magdalena Kasendra, Ph.D., ex becaria postdoctoral en el equipo de Ingber y ahora científica principal de Emulate, Inc.en Boston.
Junto con las células madre intestinales, el equipo identificó enterocitos diferenciados de absorción y digestión de nutrientes, células caliciformes productoras de moco, células enteroendocrinas secretoras de hormonas y células Paneth reguladoras y sensoras de microbiomas, y realizaron una serie de ensayos que confirmaron suComo el microambiente del intestino delgado se puede mantener durante semanas en chips de órganos perfundidos continuamente, permiten estudios a corto y largo plazo cuyas observaciones pueden relacionarse con la salud y la fisiología de los donantes individuales.
El equipo de Ingber está aplicando el mismo enfoque ahora a diferentes regiones del intestino - duodeno, yeyuno, íleon y colon - cuyas funciones y vulnerabilidades de enfermedades difieren entre sí. Este enfoque también se está utilizando para realizar ingeniería inversa aún más complejaentornos intestinales mediante la integración de otros tipos de células, como las células inmunes, las células neuronales y los microbios comensales en el dispositivo ". En el futuro, tales esfuerzos podrían permitirnos comprender mucho mejor las interacciones humano-microbioma, modelar trastornos de desnutrición y enfermedades inflamatorias delintestino, y realizar pruebas de drogas personalizadas ", dijo el coautor principal Alessio Tovaglieri, un estudiante graduado en el Departamento de Ciencia y Tecnología de la Salud en ETH Zurich en Suiza, quien realiza su trabajo de tesis en el equipo de Ingber.
Los autores adicionales del estudio son David Breault, MD, Ph.D., Profesor Asistente en HMS e Investigador Asociado en el Boston Children's Hospital; Alexandra Sontheimer-Phelps, Sasan Jalili-Firoozinezhad, Amir Bein, Ph.D., Angeliki Chalkiadaki, Ph.D. y William Scholl en el Instituto Wyss; Cheng Zhang, Ph.D., y Hu Li, Ph.D., de la Facultad de Medicina de la Clínica Mayo en Rochester, Minesota, y Camilla Richmond, MD, y HannahRickner, del Boston Children's Hospital, fue financiado por el Instituto Wyss de Ingeniería Biológica de Harvard, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, el Instituto Ragon del Hospital General de Massachusetts, el Instituto Tecnológico de Massachusetts y la Universidad de Harvard, el Instituto Nacional de Salud, y Bill y Melinda.Fundación Gates.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard . Original escrito por Benjamin Boettner. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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